《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的地下田野文物監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第4期
孫 弋1,楊???,屈耀軍2
1.西安科技大學(xué) 通信學(xué)院,陜西 西安710054; 2.陜西省工業(yè)和信息化廳,陜西 西安710001
摘要: 針對(duì)地下田野文物被盜過(guò)程中洛陽(yáng)鏟、爆炸等行為特點(diǎn),提出基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的地下田野文物監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)埋藏于地表的多個(gè)地震檢波器,建立檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng),識(shí)別多種人為行為特點(diǎn),區(qū)分是否是洛陽(yáng)鏟、爆炸等盜竊及損壞地下田野文物的行為,從而向控制中心發(fā)出報(bào)警信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)地下田野文物監(jiān)控的目的。
關(guān)鍵詞: 文物 監(jiān)測(cè) 檢波 微震
中圖分類號(hào): TP391.8
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2011)04-0037-03
The design of underground cultural relics monitoring system based on the micro-seismic monitor technology
Sun Yi1,Yang Haike1,Qu Yaojun2
1.Department of Telecommunication and Information Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054,China; 2.Shaanxi Provincial Office of Industry and Information Technology, Xi′an 710001,China
Abstract: In the process of underground cultural relics being stolen, Luoyang shovel, explosion has some special behavior characteristics. The underground cultural relics monitoring system which based on the micro-seismic technology has been put forward to monitor in this article. Several geophones which have been buried in the ground are utilized to build the network, and the system can distinguish many objects and human behavior such as Luoyang shovel, explosion and so on. When theft happen the system will give a warning to control center, then control center can take some actions.
Key words : tumulus;monitor;detection;micro-seismic

摘  要: 針對(duì)地下田野文物被盜過(guò)程中洛陽(yáng)鏟、爆炸等行為特點(diǎn),提出基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的地下田野文物監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)埋藏于地表的多個(gè)地震檢波器,建立檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng),識(shí)別多種人為行為特點(diǎn),區(qū)分是否是洛陽(yáng)鏟、爆炸等盜竊及損壞地下田野文物的行為,從而向控制中心發(fā)出報(bào)警信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)地下田野文物監(jiān)控的目的。
關(guān)鍵詞: 文物;監(jiān)測(cè);檢波;微震

    我國(guó)歷史悠久,古墓葬、地下遺址等地下田野文物資源豐富。我國(guó)地下田野文物監(jiān)管的現(xiàn)狀是:地下田野文物分布點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣,且所處位置大都較為偏僻,交通不便,地下田野文物管理人員數(shù)量少,巡查難度大,監(jiān)管技術(shù)落后。這給不法分子盜竊文物等違法行為以可乘之機(jī),盜竊行為時(shí)有發(fā)生。針對(duì)這種現(xiàn)狀,本文利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下田野文物保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)在目標(biāo)區(qū)域建立監(jiān)控系統(tǒng),完成對(duì)震動(dòng)信號(hào)的采集、分析、判別,判斷是否有盜掘行為的發(fā)生,實(shí)現(xiàn)對(duì)田野文物監(jiān)控的目的。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是微地震研究的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,本設(shè)計(jì)是微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在文物監(jiān)控領(lǐng)域的一個(gè)應(yīng)用。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體概述
    系統(tǒng)包含檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng)、調(diào)理電路、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)三部分,如圖1所示。其中,檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng)采集人為活動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)參數(shù),并可多節(jié)點(diǎn)定位,調(diào)理電路完成對(duì)原始信號(hào)的放大、變換、濾波等處理,信號(hào)采集PCI卡通過(guò)工控機(jī)的PCI插槽完成對(duì)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)經(jīng)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)軟件分析、處理、判別后做出識(shí)別,通過(guò)有線或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程控制中心發(fā)出報(bào)警信號(hào),遠(yuǎn)程控制中心收到報(bào)警,采取相應(yīng)措施。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng)

    檢波監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)嵭斜O(jiān)控,實(shí)質(zhì)是監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的各種震動(dòng)信號(hào)。
    檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng)由N個(gè)檢波監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成,檢波監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要自行設(shè)定。本設(shè)計(jì)采用HK20DX-10S系列地震檢波器作為檢波監(jiān)測(cè)設(shè)備。該系列地震檢波器采用引線簧結(jié)構(gòu),具有體積小、重量輕、假頻高、耦合好等特點(diǎn)。該系列檢波器適合沼澤、淺海、丘陵、山地、戈壁等不同地表環(huán)境的工作。其技術(shù)指標(biāo)如下:自然頻率10±5%,開(kāi)路阻尼系數(shù)0.3,閉路阻尼系數(shù)(并1 kΩ)0.7±5%,開(kāi)路靈敏度0.28 V/(cm·s-1),閉路靈敏度(并1 kΩ)0.2±5%,線圈電阻395±5% Ω,并聯(lián)電阻后直流電阻(并1 kΩ)283±5% Ω,失真度≤0.2%,假頻≥400 Hz,懸體質(zhì)量11 g,最大位移(P-P)1.5 mm,允許傾斜角度<10°。
    該系列地震檢波器假頻大于400 Hz,具有很強(qiáng)的抗橫向干擾能力,大幅度提高了檢波器的通頻帶寬度及信噪比。采用引線簧焊接導(dǎo)電結(jié)構(gòu),保證檢波器的高可靠性。檢波器體積小,易于埋置,與大地的耦合性好,抗干擾能力強(qiáng),有效提高了檢波器的分辨率和信噪比。
2.2 調(diào)理電路
    調(diào)理電路對(duì)地震檢波器采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、放大,調(diào)整成適合工業(yè)控制計(jì)算機(jī)處理的信號(hào),其單路設(shè)計(jì)如圖2所示。

    IN端是地震檢波器信號(hào)采集端,OUT端是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)端,R00、R01、C01可以根據(jù)濾波、放大需要進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì),調(diào)理電路路數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.3 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)
    本設(shè)計(jì)采用的工業(yè)計(jì)算機(jī)包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)核心、高速模擬量數(shù)據(jù)采集卡、網(wǎng)絡(luò)模塊等部分,系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2.3.1 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)核心
    本設(shè)計(jì)采用GT-6355工業(yè)控制計(jì)算機(jī),英特爾凌動(dòng)230處理器,主頻1.6 GHz,主板采用英特爾945GC+ICH7芯片組,雙通道內(nèi)存接口,最多支持4 GB的DDR2 533/677 MHz內(nèi)存,顯示卡采用英特爾GMA950圖形媒體加速器,最大共享內(nèi)存224 MB,1個(gè)英特爾82573L PCI-E千兆網(wǎng)絡(luò)控制器,2個(gè)SATA硬盤接口,1個(gè)RS-232接口,1個(gè)RS-232/422/485接口,6個(gè)USB2.0接口,PICMG1.0總線,支持PCI及ISA擴(kuò)展設(shè)備,含PCI擴(kuò)展單槽。該工業(yè)控制計(jì)算機(jī)性能穩(wěn)定、資源豐富、使用方便,且能適應(yīng)惡劣環(huán)境。
2.3.2 高速模擬量數(shù)據(jù)采集卡
    本設(shè)計(jì)采用PCI-1713型高速模擬量數(shù)據(jù)輸入卡。該卡是一款PCI總線的隔離高速模擬量輸入卡,提供32路差分模擬量輸入或者組合輸入通道,每個(gè)輸入通道的增益可編程控制,可對(duì)不同通道使用不同增益,并采用單端和差分輸入的不同組合方式來(lái)完成多通道采樣。模擬量輸入范圍為:雙極性時(shí),±0.625 V,±1.25 V,±2.5 V,±5 V,±10 V;單極性時(shí),0~1.25 V,0~2.5 V,0~5 V,0~10 V,最大輸入過(guò)載電壓±30 V;A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率可達(dá)100 kS/s、分辨率為12 bit;帶有一個(gè)4 KB采樣FIFO緩沖器,該特性提供了Windows下連續(xù)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕? 500 V(DC)的直流隔離保護(hù),用于保護(hù)PC及外設(shè)免受輸入線上高壓電的損害;支持軟件內(nèi)部定時(shí)器觸發(fā)或外部定時(shí)觸發(fā);工作溫度-20 ℃~+70 ℃,能適應(yīng)戶外工作要求。
    數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件系統(tǒng)采用Windows XP作為操作系統(tǒng)平臺(tái),符合用戶的操作習(xí)慣。應(yīng)用軟件采用微軟公司的開(kāi)發(fā)工具Visual Studio 2005進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。
3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    應(yīng)用程序包括系統(tǒng)界面、操作日志、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢等模塊。軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    (1)系統(tǒng)界面。軟件界面采用分級(jí)結(jié)構(gòu),每一個(gè)試驗(yàn)采用彈出子界面的方式單獨(dú)處理,這樣使軟件更具模塊化管理。軟件的整體界面框架包括菜單欄、工具欄、按鈕、編輯框、主窗口狀態(tài)欄等部分。
    (2)操作日志。操作日志記錄了用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的用戶名、時(shí)間、指令等詳細(xì)信息。日志信息保存在文本文件中,便于查詢。
    (3)數(shù)據(jù)通信模塊。數(shù)據(jù)通信模塊采用PCI通信模塊、網(wǎng)口和USB等接口和外部設(shè)備進(jìn)行通信。
    (4)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。本方案采用Access數(shù)據(jù)庫(kù), ADO是數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的接口,具有使用簡(jiǎn)便、速度快、內(nèi)存消耗少和占用磁盤空間少等優(yōu)點(diǎn)。利用ADO技術(shù)實(shí)現(xiàn)Visual Studio 2005與數(shù)據(jù)庫(kù)的接口,從而方便地實(shí)現(xiàn)Visual Studio 2005對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。
    (5)歷史數(shù)據(jù)查詢。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊完成歷史數(shù)據(jù)信息的查詢操作,通過(guò)觀察歷史數(shù)據(jù),可以對(duì)系統(tǒng)的性能做出分析,可以了解設(shè)備的工作過(guò)程及結(jié)果。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊包括窗體代碼設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)查詢代碼設(shè)計(jì)。
3.2 軟件流程設(shè)計(jì)
    軟件流程如圖5所示。

    應(yīng)用軟件啟動(dòng)后,首先進(jìn)行初始化工作,包括初始化接口、記錄工作日志、打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)等任務(wù)。如果初始化失敗,應(yīng)用程序不能正常運(yùn)行而退出;初始化成功后,開(kāi)始監(jiān)控。當(dāng)關(guān)閉設(shè)備時(shí),監(jiān)控結(jié)束,否則一直循環(huán)進(jìn)行。
    本方案針對(duì)目前文物所在的環(huán)境特點(diǎn)劃分成多個(gè)小區(qū)域, 利用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,對(duì)異常狀況進(jìn)行報(bào)警,并及時(shí)保存所采集的數(shù)據(jù)信息,為文物保護(hù)工作者進(jìn)行文物保護(hù)方法的研究提供了重要依據(jù)。本方案所描述的系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)、高效等特點(diǎn),對(duì)維護(hù)文物古跡的安全具有重要的意義。
參考文獻(xiàn)
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